Класове усилватели на мощност

В електрониката усилвателят е най-често използваното верижно устройство с огромни възможности за приложение. В свързаната със аудио електроника предусилватели и усилватели на мощност са два различни типа усилвателни системи, които се използват за целите, свързани с усилването на звука. Но освен тази специфична за приложението, има огромни разлики в различните видове усилватели, главно в усилвателите на мощност. Така че тук ще разгледаме различни класове усилватели заедно с техните предимства и недостатъци.

Класификации на усилвателите с помощта на букви

Класовете на усилвателите са идентичност на производителността и характеристиките на усилвателя. Различните видове усилватели на мощност дават различни реакции при преминаване на ток през тях. Според техните спецификации на усилвателите се присвояват различни букви или азбуки, които представляват техните класове. Има различни класове усилватели, започващи от А, В, С, АВ, D, Е, F, Т и др. От тези класове най-често използваните класове аудио усилватели са A, B, AB, C. Други класове са модерни усилватели, които използват превключващи топологии и PWM (Pulse Width Modulation) техника за задвижване на изходното натоварване. Понякога на подобрената версия на традиционните класове се присвоява буква, за да се класифицират като различен клас усилвател, като усилвател от клас G е модифициран усилвател от клас B или клас AB усилвател.

Класовете на усилвателя представляват пропорцията на входния цикъл, когато токът се предава през усилвателя. Входният цикъл е ъгълът на проводимост, произтичащ от синусоидалната вълнова проводимост във входа на усилвателя. Този ъгъл на провеждане е силно пропорционален на усилвателите навреме по време на пълен цикъл. Ако усилвателят е винаги включен по време на цикъл, ъгълът на проводимост ще бъде 360 градуса. Така че, ако усилвателят осигурява ъгъл на проводимост от 360 градуса, тогава усилвателят използва пълен входен сигнал и активния елемент, проведен през 100% период от време на пълен синусоидален цикъл.

По-долу ще демонстрираме традиционни класове усилватели на мощност, вариращи от клас A, B, AB и C, а също така ще демонстрираме усилвател клас D, който се използва широко при превключването на проекти. Тези класове се използват не само в усилвател на мощност, но също така се използват в схеми на аудио усилватели.

Усилвател клас А

Усилвател от клас А е усилвател с висока печалба с висока линейност. В случай на усилвател от клас А, ъгълът на проводимост е 360 градуса. Както посочихме по-горе, ъгълът на проводимост от 360 градуса означава, че усилващото устройство остава активно през цялото време и използва пълен входен сигнал. На изображението по-долу е показан идеален усилвател от клас А.

Както виждаме на изображението, има един активен елемент, транзистор. Пристрастието на транзистора остава ВКЛЮЧЕНО през цялото време. Поради тази функция, която никога не се изключва, усилвателят от клас А осигурява по-добра стабилност на високочестотната и обратна връзка. Освен тези предимства, усилвател клас А е лесен за конструиране с компонент от едно устройство и минимален брой части.

Въпреки предимствата и високата линейност, със сигурност има много ограничения. Поради непрекъснатата диригентска природа, усилвателят от клас А създава голяма загуба на мощност. Също така, поради високата линейност, усилвателят от клас А осигурява изкривяване и шумове. Захранването и конструкцията на отклонението се нуждаят от внимателен подбор на компоненти, за да се избегне нежелан шум и да се сведе до минимум изкривяването.

Поради високите загуби на мощност в усилвател клас А, той излъчва топлина и изисква по-голямо пространство на радиатора. Ефективността е много лоша при усилватели от клас А, теоретично ефективността варира между 25 и 30%, ако се използва с обичайната конфигурация. Ефективността може да се подобри, като се използва индуктивно свързана конфигурация, но ефективността в такъв случай не е повече от 45-50%, поради което е подходяща само за целите на усилване с нисък сигнал или ниско ниво на мощност.

Усилвател клас B

Усилвателят от клас B е малко по-различен от клас А. Създаден е с помощта на две активни устройства, които провеждат половината от действителния цикъл, т.е. 180 градуса от цикъла. Две устройства осигуряват комбинирано текущо задвижване за товара.

В горното изображение е показана идеална конфигурация на усилвател клас B. Състои се от две активни устройства, които се пристрастяват едно по едно по време на положителния и отрицателния полуцикъл на синусоидалната вълна и по този начин сигналът се изтласква или издърпва до усилено ниво както от положителна, така и от отрицателна страна и комбинира резултата, получаваме пълен цикъл през изхода. Всяко устройство се включва или става активно в половината от цикъла и поради това ефективността се подобрява, в сравнение с 25-30% ефективност на усилвател клас А, теоретично осигурява повече от 60% ефективност. На изображението по-долу можем да видим графика за входния и изходния сигнал на всяко устройство. Ефективността е не повече от 78% за усилвател клас В . Разсейването на топлината е сведено до минимум в този клас, осигурявайки ниско пространство на радиатора.

Но този клас също има ограничения. Много дълбоко ограничение на този клас е изкривяването на кросоувъра. Тъй като две устройства осигуряват всяка половина от синусоидалните вълни, които се комбинират и свързват през изхода, има несъответствие (кръстосване) в региона, където се комбинират две половини. Това е така, защото когато едното устройство завърши полуцикъла, другото трябва да осигури същата мощност почти по същото време, когато другото завърши работата. Трудно е да се поправи тази грешка в усилвател клас А, тъй като по време на активното устройство другото устройство остава напълно неактивно. Грешката осигурява изкривяване на изходния сигнал. Поради това ограничение е голям провал за приложението на прецизния аудио усилвател.

Усилвател от клас AB

Един алтернативен подход за преодоляване на кръстосано изкривяване, е да се използва усилвател AB. Усилвателят от клас AB използва междинен ъгъл на проводимост както от класове A, така и от B, като по този начин можем да видим свойството на усилвателя от клас A и клас B в този клас топология на усилвателя AB. Подобно на клас B, той има същата конфигурация с две активни устройства, която провежда по време на половината от цикъла поотделно, но всяко устройство е пристрастно по различен начин, така че те не се изключват напълно по време на неизползваемия момент (момент на кросоувър). Всяко устройство не напуска проводимостта веднага след завършване на половината от синусоидалната форма на вълната, вместо това те провеждат малко количество вход за още половин цикъл. Използвайки тази техника на отклонение, несъответствието на кросоувъра по време на мъртвата зона е драстично намалено.

Но в тази конфигурация ефективността намалява, тъй като линейността на устройствата е нарушена. Ефективността остава повече от ефективността на типичния усилвател клас А, но е по-малка от системата усилвател клас В. Също така, диодите трябва да бъдат внимателно подбрани с точно същата оценка и трябва да бъдат поставени възможно най-близо до изходното устройство. В някои верижни конструкции дизайнерите са склонни да добавят резистор с малка стойност, за да осигурят стабилен ток на покой в ​​устройството, за да минимизират изкривяванията в изхода.

Усилвател клас C

Освен усилвател клас A, B и AB, има и друг усилвател клас C. Това е традиционен усилвател, който работи по различен начин от другите класове усилватели. Усилвател от клас С е настроен усилвател, който работи в два различни режима на работа, настроен или незастроен. Ефективността на усилвателя от клас С е много повече от A, B и AB. Максимална 80% ефективност може да бъде постигната при операции, свързани с радиочестоти

Усилвателят от клас C използва ъгъл на проводимост под 180 градуса. По време на неустановения режим секцията на тунера е пропусната от конфигурацията на усилвателя. При тази операция усилвателят от клас C също дава огромно изкривяване на изхода.

Когато веригата е изложена на настроен товар, веригата затяга нивото на отклонение на изхода със средното изходно напрежение, равно на захранващото напрежение. Настроената операция се нарича clamper. По време на тази операция сигналът придобива правилната си форма и централната честота става по-малко изкривена.

При типични приложения усилвателят от клас C дава 60-70% ефективност.

Усилвател клас D

Усилвател от клас D е превключващ усилвател, който използва Pulse Width Modulation или PWM. Ъгълът на проводимост не е фактор в такъв случай, тъй като директният входен сигнал се променя с променлива широчина на импулса.

В тази усилвателна система клас D линейното усилване не се приема, тъй като те работят точно като типичен превключвател, който има само две операции, ON или OFF.

Преди да обработи входния сигнал, аналоговият сигнал се преобразува в импулсен поток чрез различни техники на модулация и след това се прилага към усилвателната система. Тъй като продължителността на импулсите е свързана с аналоговия сигнал, той отново се реконструира с помощта на нискочестотен филтър през изхода.

Усилвател клас D е най-високоефективният усилвател от клас A, B, AB и C и D. Той има по-малко разсейване на топлината, така че е необходим малък радиатор. Схемата изисква различни превключващи компоненти като MOSFET, които имат ниско съпротивление.

Това е широко използвана топология в цифровите аудио плейъри или за управление на двигателите. Но трябва да имаме предвид, че това не е цифров преобразувател. Въпреки че за по-високи честоти усилвателят от клас D не е идеалният избор, тъй като в няколко случая има ограничения на честотната лента в зависимост от възможностите на нискочестотния филтър и конверторния модул.

Други класове на усилвателя

Освен традиционните усилватели, има още няколко класа, които са клас E, клас F, клас G и H.

Усилвател клас Е е високоефективен усилвател на мощност, който използва превключващи топологии и работи в радиочестоти. Еднополюсният превключващ елемент и настроената реактивна мрежа е основният компонент, който се използва с усилвателя от клас E.

Клас F е усилвател с висок импеданс по отношение на хармониците. Може да се управлява с помощта на квадратна вълна или синусоида. За входа на синусоидалната вълна този усилвател може да бъде настроен с помощта на индуктор и може да се използва за увеличаване на усилването.

Клас G използва превключване на релси, за да намали консумацията на енергия и да подобри ефективността. А клас H е допълнителната подобрена версия на клас G.

Допълнителни класове са усилвателите със специално предназначение. В някои случаи буквите се предоставят от производителя, за да обозначат техния собствен дизайн. Един най-добрият пример е усилвател клас Т, който е търговска марка за специален тип превключващ усилвател клас D, използван за усилвателните технологии на Tripath, който е патентован дизайн.